CPU设计实战—异常处理指令

异常类型以及精确异常的处理

异常有点像中断，处理完还要回到原来的状态，所以需要对之前的状态进行保存。本CPU主要实现对以下异常的处理：

1.外部硬件中断

2.复位异常

3.系统调用异常（发生在译码阶段）

4.溢出异常（发生在执行阶段）

5.自陷指令异常（发生在执行阶段因为需要进行条件判断）

6.无效指令异常（发生在译码阶段）

为了不破坏原程序的执行，异常指令之前的指令都要确保执行完成，而异常指令和其之后的指令需要取消。这要求异常发生的循序和指令发生的顺序相同。可会有例外吗？

由于流水线的特性，不同指令的异常可能发生在不同阶段。例如：加载指令在访存阶段发生未对齐异常，而下一个指令是无效指令在译码阶段发生异常。无效指令先发生异常，顺序错误。如何解决？

先发生的异常不立即处理，先进行标记，所有的异常统一留到访存阶段进行处理。

一、异常处理过程

 异常发生之后进行的处理：

如果发生，先看当前是否处于异常处理阶段（根据状态寄存器的EXL字段）；

如果正在异常处理，接着判断是否处于中断阶段，是的话则不处理此中断（异常处理过程会禁止中断）；

不是处于中断异常则保存异常原因，进入异常处理例程即可。

如果没有正在进行异常处理：

1.先保存异常原因（Cause寄存器的Execode字段）

2.将保存异常返回地址到EPC（这时候需要判断是否为延迟槽指令？PC-4，BD=1：PC，BD=0）

4.转移到异常处理例程（最后就是根据异常类型确定PC的值是哪一个入口地址）

 EXL表示当前是否在异常状态，EPC保存异常返回地址，BD是当发生异常的指令在分支延迟槽时被置位

 如果异常指令是延迟槽指令，那么也必须执行上一条转移指令（PC-4）

二、实现思路

我们先在译码（系统调用，无效，异常返回）执行阶段（自陷，溢出）判断是否有相关异常发生并传递给访存阶段对不同异常结合CP0寄存器进行具体判断。如果需要处理，就转移到异常处理入口地址（在异常向量表中有定义），同时需要清除回写阶段前的所有寄存器。

自陷异常

通过条件判断是否发生异常，如果发生就进入异常处理例程

 系统调用异常

当我们想要切换工作模式（比如获得更高权限进入内核模式），通过调用系统异常指令来实现修改工作模式状态位：即CP0中Status的UM字段。但是本CPU没有实现其他模式。

系统异常返回

作用是返回异常出现之前的指令，异常结束，具体操作为：

1.EPC寄存器（存储异常指令地址）的值给到PC

2.清除异常状态（EXL字段清零）

三 具体实现思路

1.在各个阶段（译码阶段需要判断延迟槽）收集异常状态将信号（异常判断信号与异常地址）传送到访存阶段

2.访存阶段判断异常是否处理（需要根据CP0中的一些寄存器）：

需要处理：进入异常地址(如果是异常返回指令则进入EPC的地址)；清除之前阶段；修改CP0（进入异常状态等）

四 各个阶段具体实现

1.PC阶段

如果异常到来就使用新的PC值

	  end else if(stall[1] == `NoStop) beginid_pc <= if_pc;id_inst <= if_inst;

2.各个寄存器阶段

如果异常来临把所有输出信号赋初始值

		end else if(flush == 1'b1 ) beginex_aluop <= `EXE_NOP_OP;ex_alusel <= `EXE_RES_NOP;ex_reg1 <= `ZeroWord;ex_reg2 <= `ZeroWord;ex_wd <= `NOPRegAddr;ex_wreg <= `WriteDisable;ex_excepttype <= `ZeroWord;ex_link_address <= `ZeroWord;ex_inst <= `ZeroWord;ex_is_in_delayslot <= `NotInDelaySlot;ex_current_inst_address <= `ZeroWord;	is_in_delayslot_o <= `NotInDelaySlot;	

3.译码阶段

对指令进行译码，如果是异常指令保存状态：如系统调用，异常返回，自陷指令在执行阶段还要进行条件判断所以这里不记录

然后把异常状态都保存到一个信号中

//exceptiontype的低8bit留给外部中断，第9bit表示是否是syscall指令//第10bit表示是否是无效指令，第11bit表示是否是trap指令assign excepttype_o = {19'b0,excepttype_is_eret,2'b0,instvalid, excepttype_is_syscall,8'b0};

4.执行阶段

判断执行阶段里的异常状态：如溢出，自陷指令条件判断并把相关信号输出：

assign excepttype_o = {excepttype_i[31:12],ovassert,trapassert,excepttype_i[9:8],8'h00};

5.访存阶段

主要目的是进一步判断是否要发生异常类型（结合CP0中的信号判断）以及具体哪个异常

什么时候发生异常：复位，异常和暂停情况不处理异常，所以取指地址不为0才发生异常

区分是哪个异常类型（不能只根据传过来的异常类型，因为有些还需要CP0中的额外条件）：

中断异常：当处于中断或者异常情况下不处理中断：

发生中断的依据是: Cause 寄存器的IP字段不为0，且Status寄存器中相应的中断掩码字段IM也不为0，另外，Status 寄存器的EXL字段为0，表示不处于异常处理过程中，Status 寄存器的IE字段为1,表示中断使能。

其他异常类型没有额外条件，只要之前异常触发了就可以。

			if(current_inst_address_i != `ZeroWord) beginif(((cp0_cause[15:8] & (cp0_status[15:8])) != 8'h00) && 
(cp0_status[1] == 1'b0) && (cp0_status[0] == 1'b1)) beginexcepttype_o <= 32'h00000001;        //interruptend else if(excepttype_i[8] == 1'b1) beginexcepttype_o <= 32'h00000008;        //syscallend else if(excepttype_i[9] == 1'b1) beginexcepttype_o <= 32'h0000000a;        //inst_invalidend else if(excepttype_i[10] ==1'b1) beginexcepttype_o <= 32'h0000000d;        //trapend else if(excepttype_i[11] == 1'b1) begin  //ovexcepttype_o <= 32'h0000000c;end else if(excepttype_i[12] == 1'b1) begin  //返回指令excepttype_o <= 32'h0000000e;endend

 具体每个异常类型对应的输出回顾译码和执行阶段做的定义：

 到这一步才算完成对异常类型的判断！！！

下面是根据不同的异常类型做不同的操作，主要是给修改PC以及寄存器

6.根据不同的异常类型修改CP0的值（主要记载返回地址和返回原因）

CP0中重要寄存器作用：

1.EPC是异常程序计数器(Exception Program Counter),用来存储异常返回地址，一般情况下，存储发生异常的指令的地址，但是，如果发生异常的指令位于延迟槽中，那么EPC存储的是前一条转移指令的地址。该寄存器可读、可写。

2.cause寄存器的BD字段
当发生异常的指令处于分支延迟槽(Branch DelaySlot)时，该字段被置为1。ExeCode是表示异常原因

3.Status寄存器的EXL字段

表示是否处于异常级( Exception Level)， 当异常发生时，会设置本字段为1,表示处理器处于异常级，此时，处理器会进入内核模式下工作，并且禁止中断。

中断指令：

依据发生异常的指令是否位于延迟槽中，保存返回地址设置EPC寄存器的值，以及Status 寄存器的BD字段，如果位于延迟槽中，那么设置EPC寄存器为上一条指令的地址，Status 寄存器的BD字段为1，反之，设置EPC寄存器为发生异常指令的地址，Status寄存器的BD字段为0。另外，设置异常状态设置Status 寄存器的EXL字段为I,表示处于异常级，中断禁止。最后，保存返回原因设置Cause寄存器的ExcCode字段5'b00000，表示异常原因是中断。

系统调用异常：

分两种情况。
(1)如果Status寄存器的EXL字段为0，那么依据发生异常的指令是否位于延迟槽中，设置EPC寄存器的值，以及Status寄存器的BD字段。如果位于延迟槽中，那么设置EPC寄存器为上一条指令的地址，Status 寄存器的BD字段为1,反之，设置EPC寄存器为发生异常指令的地址，Status 寄存器的BD字段为0。然后，设置Status寄存器的EXL字段为1,表示处于异常级，中断禁止。最后，设置Cause寄存器的ExcCode字段为5"b01000，表示异常原因是系统调用指令syscall,参考第10章的表10-7。
(2)如果Status寄存器的EXL字段为1,表示当前已经处于异常级了，又发生了新的异常，那么只需要将异常原因保存到Cause寄存器的ExcCode字段，此处设置为5'b01000，表示异常原因是系统调用指令syscall。

3.无效指令异常
与系统调用异常的处理过程类似，只是设置Status寄存器的ExcCode字段为5"b01010,表示异常原因是无效指令。
4.自陷异常
与系统调用异常的处理过程类似，只是设置Status寄存器的ExcCode字段为5'b01101,表示异常原因是自陷. 
5.溢出异常
与系统调用异常的处理过程类似，只是设置Status寄存器的ExcCode字段为5'b01100,表示异常原因是溢出。
6.异常返回指令eret
清除Status寄存器的IE字段，表示中断允许。

6.控制模块

根据异常类型给出下一个PC应有的值，这个值根据异常处理入口例程；

如果是异常返回地址，则跳转到异常返回地址

	always @ (*) beginif(rst == `RstEnable) beginstall <= 6'b000000;flush <= 1'b0;new_pc <= `ZeroWord;end else if(excepttype_i != `ZeroWord) beginflush <= 1'b1;stall <= 6'b000000;case (excepttype_i)32'h00000001:		begin   //interruptnew_pc <= 32'h00000020;end32'h00000008:		begin   //syscallnew_pc <= 32'h00000040;end32'h0000000a:		begin   //inst_invalidnew_pc <= 32'h00000040;end32'h0000000d:		begin   //trapnew_pc <= 32'h00000040;end32'h0000000c:		begin   //ovnew_pc <= 32'h00000040;end32'h0000000e:		begin   //eretnew_pc <= cp0_epc_i;enddefault	: beginendendcase 						end else if(stallreq_from_ex == `Stop) beginstall <= 6'b001111;flush <= 1'b0;		end else if(stallreq_from_id == `Stop) beginstall <= 6'b000111;	flush <= 1'b0;		end else beginstall <= 6'b000000;flush <= 1'b0;new_pc <= `ZeroWord;		end    //ifend      //always

7.定时中断的结构实现

将时钟中断输出作为一个中断信号输入，这样就可以处理时钟中断了，从而验证异常相关指令是否实现正确。
 

8、测试程序

系统调用异常测试程序

 当指令根据系统调用异常的指示入口地址跳转到这里后，需要自己写代码去进行在EPC内进行PC+4的操作，不然等异常返回指令后PC按照EPC内的值跳转后还是在系统调用指令处继续异常。